Question

20．2013年初，霧霾天氣多次肆虐我國中東部地區(qū)．其中，汽車尾氣和燃煤尾氣是造成空氣污染的原因之一．
（1）汽車尾氣凈化的主要原理為2NO（g）+2CO（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$2CO₂（g）+N₂（g）．在密閉容器中發(fā)生該反應時，c（CO₂）隨溫度（T）、催化劑的表面積（S）和時間（t）的變化曲線，如圖1所示．

據此判斷：
①該反應的△Η＜0（填“＞”或“＜”）．
②在T₁溫度下，0～2s內的平均反應速率v（N₂）=0.05mol/（L•s）．
③當固體催化劑的質量一定時，增大其表面積可提高化學反應速率．若催化劑的表面積S₁＜S₂，在上圖中畫出c（CO₂）在T₁、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線．
④若該反應在絕熱、恒容的密閉體系中進行，下列示意圖正確且能說明反應在進行到t₁時刻達到平衡狀態(tài)的是bd（填字母）．

（2）直接排放煤燃燒產生的煙氣會引起嚴重的環(huán)境問題．
①煤燃燒產生的煙氣含氮的氧化物，用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染．
例如：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867.0kJ•mol^-1
2NO₂（g）═N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol^-1
寫出CH₄催化還原N₂O₄（g）生成N₂和H₂O（g）的熱化學方程式CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-810.1kJ/mol．
②將燃煤產生的二氧化碳回收利用，可達到低碳排放的目的．圖2是通過人工光合作用，以CO₂和H₂O為原料制備HCOOH和O₂的原理示意圖．電極a、b表面發(fā)生的電極反應式分別為
a：2H₂O-4e^-═O₂↑+4H⁺，
b：2CO₂+4e^-+4H⁺═2HCOOH．

Answer 1

分析 （1）①根據到達平衡的時間判斷溫度高低，根據平衡時二氧化碳的濃度判斷溫度對平衡的影響，進而判斷△H；
②由圖可知，T₂溫度平衡時，二氧化碳的濃度變化量為0.1mol/L，根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO₂），再根據速率之比等于化學計量數之比計算v（N₂）；
③接觸面積越大反應速率越快，到達平衡的時間越短，催化劑的表面積S₁＞S₂，S₂條件下達到平衡所用時間更長，但催化劑不影響平衡移動，平衡時二氧化碳的濃度與溫度T₁到達平衡時相同；
④a、到達平衡后正、逆速率相等，不再變化；
b、到達平衡后，溫度為定值，平衡常數不變，結合反應熱判斷隨反應進行容器內溫度變化，判斷溫度對化學平衡常數的影響；
c、t₁時刻后二氧化碳、NO的物質的量發(fā)生變化，最后不再變化；
d、到達平衡后各組分的含量不發(fā)生變化；
（2）①根據蓋斯定律，由已知熱化學方程式乘以適當的系數進行加減構造目標熱化學方程式；
②由圖可知，左室投入水，生成氧氣與氫離子，電極a表面發(fā)生氧化反應，為負極，右室通入二氧化碳，酸性條件下生成HCOOH，電極b表面發(fā)生還原反應，為正極．

解答 解：（1）①由圖1可知，溫度T₁先到達平衡，故溫度T₁＞T₂，溫度越高平衡時，二氧化碳的濃度越低，說明升高溫度平衡向逆反應移動，故正反應為放熱反應，即△H＜0，
故答案為：＜；
②由圖可知，T₂溫度時2s到達平衡，平衡時二氧化碳的濃度變化量為0.2mol/L，故v（CO₂）=$\frac{0.2mol/L}{2s}$=0.1mol/（L•s），速率之比等于化學計量數之比，故v（N₂）=$\frac{1}{2}$v（CO₂）=$\frac{1}{2}$×0.1mol/（L•s）=0.05mol/（L•s），
故答案為：0.05mol/（L•s）；
③接觸面積越大反應速率越快，到達平衡的時間越短，催化劑的表面積S₁＞S₂，S₂條件下達到平衡所用時間更長，但催化劑不影響平衡移動，平衡時二氧化碳的濃度與溫度T₁到達平衡時相同，故c（CO₂）在T₁、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線為：，
故答案為：；
④a、到達平衡后正、逆速率相等，不再變化，t₁時刻V_正最大，之后隨反應進行速率發(fā)生變化，未到達平衡，故a錯誤；
b、該反應正反應為放熱反應，隨反應進行溫度升高，化學平衡常數減小，到達平衡后，溫度為定值，達最高，平衡常數不變，為最小，圖象與實際符合，故b正確，
c、t₁時刻后二氧化碳、NO的物質的量發(fā)生變化，t₁時刻未到達平衡狀態(tài)，故c錯誤；
d、NO的質量分數為定值，t₁時刻處于平衡狀態(tài)，故d正確；
故答案為：bd；
（2）①已知：Ⅰ、CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-867kJ/mol
Ⅱ、2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H₂=-56.9kJ/mol
根據蓋斯定律，Ⅰ-Ⅱ得CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），故△H=-867kJ/mol-（-56.9kJ/mol）=-810.1kJ/mol，
即CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-810.1kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-810.1kJ/mol；
②由圖可知，左室投入水，生成氧氣與氫離子，電極a表面發(fā)生氧化反應，為負極，電極反應式為2H₂O-4e^-═O₂↑+4H⁺，右室通入二氧化碳，酸性條件下生成HCOOH，電極b表面發(fā)生還原反應，為正極，電極反應式為2CO₂+4e^-+4H⁺═2HCOOH，
故答案為：2H₂O-4e^-═O₂↑+4H⁺；CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH．

點評 本題考查化學平衡圖象、化學反應速率、影響化學平衡的因素、熱化學方程式書寫、原電池、電離平衡常數與水解平衡常數等，題目綜合性較大，難度中等，是對知識的綜合利用、注意基礎知識的理解掌握．